复合超硬材料的高压合成与研究

复合超硬材料作为一种性能优异的结构材料,被越来越广泛地应用于切削加工、油气钻探等领域.目前大部分复合超硬材料是通过高温高压方法制备.本文主要介绍了近年来复合超硬材料的高压合成与研究取得的成果和进展,重点包括纳米、亚微米、微米聚晶金刚石与立方氮化硼、立方相氮化硅-金刚石超硬复合材料以及金刚石-立方氮化硼超硬合金(复合)材料等,这些新型的复合超硬材料已经被成功合成,各种性能检测表明这些复合超硬材料的硬度、热稳定性等主要性能已明显超越传统超硬材料,可成为有广阔应用前景的新一代复合超硬材料.文中还介绍了近些年研究复合超硬材料出现的一些新的思路、方法与途径,并对复合超硬材料的进一步研究做出了展望.     

具有层状结构过渡金属硼化物硬度机理的研究

过渡金属硼化物(TMBs)由于其具有非常强的B-B共价键和TM-B键一直被科研工作者认为是潜在的超硬材料。被理论预测为超硬材料的过渡金属硼化物大多具有过渡金属层和硼层交替分布的层状结构。目前,被预测为超硬材料的过渡金属硼化物都已经被实验合成,并且证明都不是超硬材料。然而却很少有理论解释在过渡金属硼化物中为什么不能形成超硬材料。本文以具有金属层和硼层交替分布的层状结构的二硼化铼、二硼化钨和二硼化钼为研究对象。通过对比其层间化学键的强度和硬度关系发现层间的TM-B化学键是决定过渡金属硼化物硬度的关键。在3种过渡金属硼化物中层间的化学键都表现出非常强的离子性。层间的离子键是导致具有层状结构过渡金属硼化物不能成为超硬材料的主要原因。此研究对理解TMBs的硬度机理以及设计新型的超硬材料具有重要的意义。     

钙钛矿结构ZrBeO3稳定性的第一性原理研究

基于密度泛函理论构建了钙钛矿结构ZrBeO3晶体模型,计算了该晶体模型结合能,表明了该构型热力学稳定性;计算出该结构在不同压力下的弹性常数,并据此计算了ZrBeO3的体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、BH/GH(体模量/剪切模量)等参数,结果表明该材料具有机械稳定性,随着等静压力增加,材料由脆性向韧性转变;计算了零压下ZrBeO3的硬度,为34.5 GPa,表明该结构晶体应为超硬材料;计算了ZrBeO3的声子能谱,结果表明ZrBeO3在低温零压下热动力学不稳定,为此分析比较了不同压力下的声子能谱、不同原子轨道及化学键布居值,研究表明随着压力增加,Be原子sp杂化后形成的Be-O共价键成分增强、Zr-O键离子键成分增强,晶格动力学趋于稳定。     

材料力学性能的微观模型

过去几十年里,人们一直努力在固体材料的宏观力学性能及其微观参数间建立起直接的关联。这篇综述文章介绍了我们在这方面取得的一些进展。以化学键键长、离子性、有效成键价电子数等原子尺度上的微观参数为基础,我们建立了固体材料的硬度、拉伸强度及体弹模量的微观模型。通过这些简单的模型,我们可以对材料的相关力学性能进行较为准确的评估。更为重要的是,这些模型可以帮助我们在微观尺度上认识控制材料力学性能的重要参数。结合现阶段的晶体设计方法,这些模型为搜寻新型超硬材料、高强度材料、低压缩材料提供了强有力的预估手段。     

超硬立方BC2N材料与金刚石的比较

摘要最近有实验称成功合成超硬立方BC2N材料，其硬度仅次于金刚石．文章采用第一性原理计算方法，研究立方BC2N晶体材料的理想强度．计算结果显示，虽然立方BC2N晶体具有很大的弹性系数，但材料中化学成分的各向异性和原子键特性随外加应力变化的非线性性质限制了立方BC2N晶体的强度．最硬的立方BC2N晶体结构的硬度应低于立方BN，后者为目前已知的第二硬材料．实验中观测到的立方BC2N材料的超硬特性应源自材料中的纳米颗粒效应．制备立方BC2N纳米复合材料将是合成新型超硬材料的新方法．     

过渡金属Tc及其氮化物TcN，TcN$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;，TcN$lt;sub$gt;3$lt;/sub$gt;与TcN$lt;sub$gt;4$lt;/sub$gt;低压缩性的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Tc及其氮化物的弹性性质、电子结构、原子布局数等,并分析和计算了它的氮化物的理论硬度. 结果表明随着Tc中氮的掺入量的渐增,出现层状结构,它们的弹性模量并非单调增加,其中TcN的体弹模量最大而剪切模量最小;层状结构的TcN₃的剪切模量最大而体弹模量最小,TcN₄的理论计算硬度最大. 说明在Tc的氮化物中,其体弹模量与材料的晶体结构、平均每个原子上的电荷密度和材料的质量密度有关;化学键的共价性结构和氮元素的含量对理论计算硬度有正作用;而剪切模量的极大值则与其层状结构及体系中一定量的方向基本一致的N—N键相关. 关键词： 第一性原理 弹性性质 电子结构     

过渡金属Tc及其氮化物TcN,TcN2,TcN3与TcN4低压缩性的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Tc及其氮化物的弹性性质、电子结构、原子布局数等,并分析和计算了它的氮化物的理论硬度.结果表明随着Tc中氮的掺入量的渐增,出现层状结构,它们的弹性模量并非单调增加,其中TcN的体弹模量最大而剪切模量最小;层状结构的TcN3的剪切模量最大而体弹模量最小,TcN4的理论计算硬度最大.说明在Tc的氮化物中,其体弹模量与材料的晶体结构、平均每个原子上的电荷密度和材料的质量密度有关;化学键的共价性结构和氮元素的含量对理论计算硬度有正作用;而剪切模量的极大值则与其层状结构及体系中一定量的方向基本一致的N-N键相关.     

BiFeO3晶体价键电子结构与铁电性质的关系

通过价键电子理论工具,计算得到了钙钛矿型单相多铁材料BiFcO₃"赝立方"顺电相和斜方铁电相价键电子结构,分析了价键电子结构变化时其铁电性的影响.计算结果表明,从顺电相到铁电相,BiFeO₃晶胞中各类化学键的键长和价键电子数变化各异,其中Bi-O键键长变短,价键电子数增多,共价性显著增强,对铁电相的稳定起到至关重要的作用;Fe-O键长呈现变大和变小两种结果,价键电子数都减小,共价性减弱.计算结果与第一性原理计算进行了比较.     

稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对纤锌矿结构AlN力学性能及压电性能的影响.计算得到的AlN各项力学性能及压电性能与实验值较吻合.掺杂稀土元素La会降低其体模量、剪切模量与杨氏模量,但会使AlN由脆性材料转变为韧性材料.压电性能计算结果表明,掺杂稀土元素La后,可使体系的压电性能提升15%左右.电子结构分析结果表明La的引入会降低体系中化学键的作用强度,从而提升了体系的塑性及压电性能.     

过渡金属硼化物的结构与性质

过渡金属硼化物(TMBs)是一类具有强耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、高硬度的多功能材料.过渡金属与硼原子间电荷转移量的多样性决定了过渡金属硼化物中化学键的成键方式和成键强弱,最终导致过渡金属硼化物丰富的结构以及潜在的多功能特性.过渡金属硼化物的制备、晶体结构和力学性能一直是该领域的研究热点.硼原子间的强共价键决定了过渡金属硼化物的合成需要高能量;晶体结构中化学键的强弱与过渡金属硼化物的硬度性质息息相关;多种化学键成键方式使过渡金属硼化物展现出了丰富的多功能性质.本文主要从过渡金属硼化物的合成、结构、硬度性质和多功能性质四个方面,以不同硼原子亚结构单元为出发点,总结和分析了过渡金属硼化物的研究现状.我们认为,利用高温高压制备TMBs,诱导过渡金属与硼原子之间的电子转移,构造(准)三维的化学键,是设计制备新型多功能硬质过渡金属硼化物的有效方法.     

新型超硬材料AlMgB14高温高压物态方程和力学性质的第一性原理计算

新型三元超硬复合材料AlMgB14由于具有硬度高、密度低、热稳定性好、导电性能好且制作成本低等一系列优良特性,而成为超硬材料领域的研究热点。本文基于密度泛函理论的第一性原理算法,运用计算机模拟技术,模拟实际实验中难以达到的高温和高压条件,结合Kohn-Sham方程的自洽求解计算新型超硬材料AlMgB14在高温高压下的力学性质、物态方程。从而对比获得其物理化学性质与高压弹性常数,并讨论其背后的物理本质。本文首先对AlMgB14进行结构优化;其次,计算在不同原胞体积下所对应的晶格总能量,获得了AlMgB14的状态方程参数、热力学性质及其随温度和压力的变化关系。同时也研究了常压及加压时,AlMgB14晶体的弹性性质的特点及变化情况。研究结果不仅构建了微观结构AlMgB14与其宏观物理特性之间的桥梁,同时为其材料的工程应用和基础理论研究提供良好的帮助,而且本论文采用的理论计算方法还可以应用到其它材料的物态方程研究中。     

纳米结构非晶合金材料研究进展

迄今为止,人类社会新技术的发展主要是基于各种晶体材料(如金属、半导体等)的应用.晶体材料的性能可以通过改变它们的微观缺陷结构和/或微观化学结构来调控,但这对于当前的非晶材料而言却是难以实现的.新型的纳米结构非晶材料可以通过引入大量的非晶/非晶界面来改变非晶材料的微观缺陷结构和/或微观化学结构,从而实现对其性能的调控.本文主要讨论了目前纳米结构非晶合金材料的研究进展,包括其制备方法、结构特征和新性能.通过利用这些新特性,有可能会开启一个基于非晶材料的新技术时代.     

超过饱和固溶W-B合金力学性质的第一性原理研究

针对小原子元素在金属合金中可同时提高硬度和韧性的现象,本文采用基于第一性原理方法,研究了W-B合金的超过饱和固溶结构和力学性能.计算结果表明：无论是几何结构的晶格畸变,还是热力学上的结合能,B原子以置换形式固溶于W晶体中均优于其他固溶形式,这主要是由于置换B原子与周围W原子形成以共价型为主兼有离子型的键合作用.在合金中添加B元素虽然降低了合金材料的弹性模量,杨氏模量由414.34 GPa降低至338.36 GPa,但却显著增加了材料的韧性,B/G值由1.97提高到2.30(纯W晶体相较于B含量6.25 at.%时).并且合金的各向异性显著地减弱.另外,合金中B元素的添加,还使得材料理想剪切强度和最大应变值也得到了增加,分别由原来的19.981 GPa和0.187增加至21.814 GPa和0.209.这说明B元素在W合金中的超过饱和固溶不仅增加了合金的强度,还提高了合金的韧性.     

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。     

Ti-V系合金的结构、力学性质及电子结构的第一原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理方法,研究了Ti-V系合金Ti_3V, TiV和TiV_3的晶体结构,电子结构及力学性质.结果表明, TiV_3结构最稳定,其次是TiV,而Ti_3V稳定性最弱,但是, Ti_3V形成能力最强.三种合金的自间隙构型中,与Ti的自间隙构型相比,更容易形成V的自间隙构型;不管是Ti自间隙还是V自间隙, TiV_3的自间隙形成能均最大.力学性质的计算表明:三种合金均满足力学稳定性标准,且都为韧性材料;体模量及硬度计算表明, TiV_3的硬度最高,其次是TiV, Ti_3V的硬度最低,这与自间隙能的计算结果一致.电子结构计算表明:在费米能级处,三种合金均主要由Ti, V的p, d轨道电子提供态密度, TiV_3合金电子结构最稳定.差分电荷密度计算表明:在Ti_3V合金中,金属性强于共价性.在Ti_3V, TiV, TiV_3三种合金中,金属性逐渐减弱,共价性逐渐增强,合金变得稳定.     

纳米结构B4C的合成及其性质的研究

B_4C是继金刚石和立方氮化硼之后自然界中第三硬的超硬材料。然而人们在硬度方面对它的应用却很少。这主要是因为B_4C的自扩散系数很低,很难合成出块体材料的B_4C;其次,B_4C的断裂韧性很低,达不到工业应用的标准,在工业应用中容易出现碎裂。本篇文章利用高温高压法合成了块体材料的B_4C,并且合成的材料具有非常高的致密性。通过硬度测试发现其硬度高于材料的单晶硬度值。利用压痕法测量了样品的断裂韧性,其断裂韧性为4.51 MPa·m~(1/2),这一数值基本接近了工业应用的标准。通过扫面电镜测试发现其具有纳米层状结构。通过原理分析可知,纳米片层结构是导致B_4C具有高硬度和高断裂韧性的原因。     

YPd3X(X=B,C)晶体结构、弹性性质与电子结构的第一性原理研究

在广义梯度近似(GGA)和GGA+ U(在位库仑势)下,采用第一性原理方法系统地研究了三元过渡金属硼碳化合物YPd3 X(X=B,C)的晶体结构、弹性性质、电子结构和成键特性.计算的晶格参数和体弹性模量均与报道的实验结果吻合,而YPd3 X(X=B,C)的弹性参数计算值则表明YPd3C的硬度大于YPd3B.根据晶体机械稳定标准得到YPd3B和YPd3C的失稳临界压强分别约为16.5 GPa和23 GPa.由Pugh经验关系可知YPd3X(X=B,C)均属于韧性材料,且YPd3B的韧性略高于YPd3C.电子能带结构分析表明YPd3B和YPd3C均具有金属特性,且导电能力相当.由态密度和电荷密度分析得知,X与Pd之间形成较强的共价键,而Y与Pd3X之间形成离子键,化学键键能的不同是两种材料的弹性参数存在差异的内在原因.上述的研究结果为YPd3X(X=B,C)的力电材料的设计和应用提供了一定的理论依据.     

过渡金属化合物OsB2与OsO2低压缩性的第一性原理计算研究

利用基于密度泛函理论平面波赝势法的第一性原理计算,研究了过渡金属化合物OsB2和OsO2的金红石相、黄铁矿相与萤石相三种结构在高压下的状态方程和结构特性以及OsO2可能的高压相变.理论计算结果支持OsB2与OsO2的萤石相是潜在超低可压缩性的硬性材料.同时,也分析了它们的电子结构,力求理解大体变模量和高硬度的微观机制.结果表明,可以利用过渡金属高的价电子浓度,掺入硼、氧、碳、氮等轻的元素形成强的方向键,这可能提供了一种合成超硬材料的新途径.     

超分子凝胶与介观结构

从介观结构角度综述了超分子凝胶晶体网络结构的形成机理、结构特性对宏观性能的影响以及超分子凝胶的设计与调控,系统总结了超分子凝胶的表征方法.超分子凝胶的性能由层级结构决定,介观结构可大幅提高材料的宏观性能,其结构与性能可以通过四个因素相关联:拓扑结构,相关长度,对称性/有序性和晶体网络间的结合力.基于对超分子凝胶的介观概念更深、更新的理解,该类材料的研究和开发将被推向新的阶段.     

纳米结构超硬材料的机遇与挑战

经过几十年的研究和发展，纳米结构金刚石和立方氮化硼已相继被成功制备，其高硬度和强韧性充分表明纳米力学增强机制是制备超强超硬材料的有效途径。目前纳米结构超硬材料的研究仍处于起步阶段，高温高压相转变的路径与机制、复杂中间相的结构与产生的条件、热力学条件对晶粒生长和微结构(孪晶和堆垛层错等)形成的作用，以及超硬材料的纳米结构对力学性能和强化机制的影响等尚未完全揭示出来。为此，文章对近年来在相关领域的研究进行综述，总结了设计与寻找超硬材料的一般策略与原则，概括了典型的纳米微结构对超硬材料力学与热稳定性的影响，归纳了纳米结构超硬材料的高温高压相变与转化机制，并对当前的研究进展和潜在应用进行了归纳与展望。